بخشی از مقاله
چکیده
انواع مختلفی از سازهها به منظور اندازهگیری بده جریان وجود دارند، که سرریزها، روزنه ها، فلومها و دریچههای کشویی از جمله این سازهها میباشند. در این میان، سرریزها یکی از اصلیترین و قدیمیترین سازههای اندازهگیری بده در سیستمهای انتقال آب میباشند که به دلیل کاربرد گستردهی سرریزها، این سازه اهمیت ویژهای در علم هیدرولیک دارد و مورد توجه بسیاری از دانشمندان بوده است. بخش اعظم کار متخصصان هیدرولیک، طراحی، تجزیه و تحلیل سازههای هیدرولیکی است که جریان آب رودخانه ها و کانالهای مصنوعی را کنترل میکنند.
سرریزها و دریچهها نمونهای از سازههای هیدرولیکی هستند که طی قرنها به عنوان ابزاری جهت تنظیم و تعیین شدت جریان و کنترل آن در کانالهای روباز مورد استفاده قرار گرفتهاند سرریزهای تناسبی دستهای از سرریزهای لبه تیز هستند که بهدلیل حساسیت کم نسبت به تغییر عمق بالادست از دقت بالایی برخوردار میباشند. در سرریزهای تناسبی نوع خطی، رابطه میان بده و بار آبی خطی است، در حالیکه در انواع جذری و لگاریتمی آن، رابطه خطی به ترتیب میان بده و جذر بار آبی و لگاریتم بار آبی برقرار میباشد.
در این تحقیق بر اساس مبانی نظری موجود در زمینه سرریزهای تناسبی و روش طراحی بدون بعد، سرریز تناسبی خطی با مقطع دودکشی و مثلثی معکوس طراحی و ساخته شده و در آبگیر جانبی یک کانال با مقطع مستطیلی تعبیه شدند و با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفتند. با انجام حدود 200 آزمایش در محدوده بده 2 الی 12 لیتر بر ثانیه بر روی سرریزها، برقراری رابطه خطی میان بده و بار آبی در سرریزهای جانبی از نوع تناسبی خطی، بهصورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج آزمایشها نشان دادند که ضریب بده در شرایطی که این سریزها بهعنوان آبگیر جانبی مورد استفاده قرار گیرند تابعی از نسبتهای بدون بعد بار آبی به ارتفاع تاج سرریز و طول تاج سرریز به ارتفاع تاج سرریز میباشد. در نهایت حساسیت هیدرولیکی.سرریز تناسبی با توجه به ویزگی این سرریز مورد بررسی قرار گرفت نتایج نشان داد که در سرریز تناسبی خطی، سرریز دودکشی، با دقت بالاتری به طور تقریبی به یک میل میکند و نسبت به سرریز مثلثی معکوس عملکرد بهتری دارد.
-1 مقدمه
مطالعه انحراف جریان در کانالهای باز، از دیرباز مورد توجه مهندسین هیدرولیک بوده در طراحی و برنامه شبکه ریزی آبهای آبیاری و زهکشی استفاده میشده است. شکل گیری جریانهای انحرافی یا به طور طبیعی به صورت شریان و ایجاد میانبر در پیچان رودها بوده و یا از نوع آبگیری از رودخانهها جهت مصارف کشاورزی، آبرسانی شهری و صنعتی از نوع جریان انحرافی مصنوعی محسوب میشود.
آبگیر جانبی به سازهای اطلاق میگردد که عمل آبگیری در آن با استفاده از یک سرریز جانبی انجام میشود. هر مانعی که بر سر راه جریان در کانال قرار گرفته و باعث شود تا سطح آب پشت آن، بالا آمده و هنگام عبور از روی آن، بر سرعت آب افزوده شود، سرریز نامیده میشود سرریزهای جانبی سازههای حفاظتی هستند که بهطور وسیع در آبیاری، سیستمهای زهکشی و کنترل سیلاب بهکار میروند.
این سازهها نقش اساسی در کانالهای توزیع سیستمهای آبیاری انجام داده و کاربرد بسیاری در رساندن آب مورد نیاز به محل مصرف در شبکهها دارند. بهترین موقعیت برای قرارگیری سرریز جانبی در سیستمهای مختلف مکانی است که بهتوان جریان را بهراحتی منحرف کرد تا میزان جریانی معادل عمق نرمال در سیستم باقی بماند. توانایی پیشبینی جریان انحرافی به طراحی سازههای انحراف جریان، شناخت آنها و کاهش دبی سیلاب کمک زیادی میکند.
سرریزها سازههای هیدرولیکی ساده، پرکاربرد و مؤثری هستند که برای اندازه گیری بده جریان و همچنین برای کنترل سطح آب در کانالها استفاده میشوند. راحتی اندازه گیری بده و میزان درستی آن از عوامل مهم در انتخاب یک سرریز است. تنوع سرریزها بسیار زیاد است و به دلیل کاربرد بسیار وسیع آنها، پژوهشهای گسترده و جامعی برای شناخت رفتار هیدرولیکی ورابطه های حاکم بر آنها انجام شده است.
استفاده از انواع مختلف سرریزها به منظور اندازهگیری بده جریان مرسوم بوده، بهطوری که با توجه به بار آبی روی سرریز و شکل هندسی آن، امکان تعیین بده عبوری به آسانی میسر است از میان انواع مختلف این سازه، سرریزهای تناسبی که بین بده و بار آبی آنها رابطه خاصی وجود دارد به عنوان یک وسیلهی ساده اندازهگیری بده در علوم مختلفی نظیر مهندسی آبیاری، مهندسی محیط زیست، مهندسی هیدرولیک و مهندسی شیمی کاربرد دارند.[1] طراحی سرریز تناسبی براساس رابطه مورد نظر بین بده و بارآبی صورت میگیرد. به عبارت دیگر شکل مقطع سرریز براساس رابطه یاد شده مشخص میشود
براساس رابطه بده و بار آبی، سرریزهای تناسبی به سه نوع یعنی سرریز تناسبی خطی، سرریز درجه دومی یا کوادراتیک و سرریز تناسبی لگاریتمی طبقه بندی میشوند.[3] سرریزهای تناسبی خطی، نوع خاصی از این سرریزها هستند که رابطه بین بده و هد آن ها خطی است. به دلیل وجود چنین رابطهای، این سرریزها کاربردهای خاصی دارند که از آن جمله میتوان به اندازه گیری جریان در آزمایشگاههای هیدرولیک به دلیل تأمین دقت مورد نظر، نصب در خروجی حوضچه ترسیب به منظور حفظ سرعت جریان در اطراف سرعت متوسط برای ته نشینی رسوبات و همچنین برای کنترل مواد اشاره کرد
شکلهای مختلف سرریزهای تناسبی با توسعه معادلات و کاربرد روشهای عددی و همچنین بهصورت آزمایشگاهی، توسط محققان مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. این بررسیها برای ارزیابی شکل هندسی سرریز تناسبی با کمترین میزان حساسیت نسبت به عمق آب بالادست و کمترین خطای ایجاد شده در محاسبه بده بهعمل آمده است. بهدلیل خطی بودن تغییرات بده در برابر ارتفاع آب روی سرریز، درسرریز تناسبی خطی، خطای قرائت ارتفاع آب بهصورت خطی در بده ظاهر میشود، در حالی که در سرریزهای دیگر، بهدلیل وجود توان بیش از یک در رابطه بده- بار آبی، مقدار خطای ایجاد شده به ازای مقدار معین خطا در قرائت بار آبی بیشتر از مقدار مربوط به سرریز تناسبی است.
همچنین بهدلیل نرخ ثابت تغییرات ارتفاع آب روی سرریز نسبت به افزایش بده در سرریزهای تناسبی، اندازهگیری بارآبی تسهیل و میزان خطا در قرائت بار آبی کاهش مییابد. اگرچه سرریزهای خطی به عنوان وسایل اندازهگیری جریان، دقیق و بسیار مفید هستند اما یکی از محدودیتهای آنها افزایش قابل توجه سطح آب در کانال بالادست نزدیک سرریز و پشت سرریز میباشد .[5] علاوه بر این ساخت آنها نیازمند تجهیزات خاص نیروی کار ماهر است .[6] بنابراین استفاده از سرریزهای تناسبی خطی با مقطع ساده بسیار با اهمیت است که در تحقیق حاضر به آن پرداخته شده است.
-2 مواد و روشها
سرریزها و شکافها به دلیل سادگی و کاربرد وسیع آنها موضوع تحقیقات قابل توجهی در علم هیدرولیک بودهاند. استفاده از سرریز، یک روش مهم و مرسوم برای اندازهگیری بده جریان است. چرا که با توجه به شکل هر سرریز بده عبوری از میان آن قابل تعیین ا ست به عبارت دیگر با توجه به شکل مقطع سرریز، بده به صورت تابعی از بار آبی روی سرریز برآورد میشود.
تاکنون شکلهای مختلف سرریزهای تناسبی با توسعهی معادلات و کاربرد روشهای عددی و همچنین به صورت آزمایشگاهی، توسط محققین مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. این بررسیها برای یافتن بهترین شکل هندسی سرریز تناسبی با کمترین میزان حساسیت نسبت به عمق آب بالادست و کمترین خطای ایجاد شده در محاسبهی بده صورت گرفته است.
ا ساس طراحی سرریز تنا سبی خطی، ایجاد رابطه خطی بین بده و هد ا ست، یعنی ح سا سیت هیدرولیکی در این سرریز مطابق معادله 1 برابر با واحد است.
در معادله 1 ، S حساسیت هیدرولیکی، dQ تغییرات بده، Q بده، و h و dh بهترتیب بار آبی روی سرریز و تغییرات آن است.
ایده اولیه سرریز تناسبی توسط استات - 1897 - ارائه شد[7]، اما تلاش او برای بهدست آوردن مقطعی که بتواند اندازهگیری بار آبی را تسهیل کند، به دلیل لزوم ایجاد عرض بینهایت در تاج سرریز ممکن نشد [3] به بیان دیگر اگرچه روش ارائه شده برای تعیین مقطع سرریز تنا سبی دقیق بوده ا ست، اما از آنجا که در این روش با نزدیک شدن عمق به حداقل مقدار خود، عرض سرریز به بینهایت میل کرده که از جنبه اجرایی و نیز اقتصادی توجیه پذیر نبود، لذا این روش برای اهداف عملی کاربردی نیست
برای حل این مشکل ساترو - 1908 - سرریز تناسبی خطی را بر روی یک سرریز مستطیلی به عمق a قرار داد و با فرض معادلات منحنی در شکل سری توانی و با تطبیق ضرایب و در نظر گرفتن قانون حاکم بر معادلات جریان، روابط مربوطه را به خوبی گسترش داد و ثابتهای معادله را بهدست آورد که این پیشنهاد منجر به توسعه عملی و ساخت این سرریز شد که به سرریز ساترو معروف است
کشاوا مورتی و گایریدهار - 1989 - با هدف تسهیل در ساخت، اما با محصور نمودن مقدار انحراف در محدوده مجاز، سرریز ذوزنقه معکوس را به صورت یک مثلث معکوس در نظر گرفتند و ضمن به د ست آوردن روابط نظری برای استفاده از آن، به بررسی عملکرد آزمایشگاهی آن پرداختند.
کشاوا مورتی و گایریدهار - 1989 - برای بهبود دامنه تغییرات خطی سرریز مثلثی معکوس یک سرریز مستطیلی با عرض b - 0/1325 b عرض تاج سرریز - و عوق d - 0/735 d ارتفاع سرریز مثلثی معکوس - به سرریز مثلثی معکوس ا ضافه کردند، این تغییر باعث شد تا دامنه عملکرد خطی سرریز مثلثی معکوس بهطور زیادی، یعنی بیش از دو برابر افزایش یابد. این سرریز که به سرریز دودکشی معروف است برای جریانهای در محدودهی عمقهای بین 0/22d و 2/43d بالای تاج سرریز، دارای انحراف بدههای تئوری از رابطه خطی به مقدار کمتر از 1/5 است.
کشاوا مورتی و گایریدهار بر اساس مطالعه آزمایشگاهی بر روی 4 سرریز خطی، نتیجه گرفتند که میانگین ضریب بده برابر با 0/615 است. ایشان همچنین سه عدد سرریز دودکشی مختلف را مورد آزمایش قرار داده و نشان دادند که رابطه خطی بین بده و بار آبی سرریز مثلثی معکوس، برای سرریز دودکشی نیز معتبر است.
